DE102009043162B3 - Fügesonde zum Befestigen von Bauelementen auf einer Hohlwelle nach dem Innenhochdruckfügeverfahren - Google Patents

Fügesonde zum Befestigen von Bauelementen auf einer Hohlwelle nach dem Innenhochdruckfügeverfahren Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Fügesonde zum Befestigen von Bauteilen, z.B. Nebenelementen nach dem Innenhochdruckfügeverfahren. Durch die vorgeschlagene Fügesondengeometrie mit axialer Abdichtung des Fügebereiches gelingt es, Nabenelemente ohne zusätzlichen Wellenüberstand auf einer Seite der Sonde zu fügen.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Fügesonde zum Befestigen von Bauelementen auf einer Hohlwelle nach dem Innenhochdruckfügeverfahren.
  • Beim Innenhochdruckfügen (IHF) lassen sich auf rohrförmige Bauelemente, wie Hohlwellen oder dergleichen als Innenteil, Naben, z. B. Nocken oder andere dem Fügeverfahren hinsichtlich ihrer Geometrie angepasste Bauelemente, als Außenteil aufbringen und starr miteinander verbinden. Im ungefügten Zustand weisen die Fügeteile zueinander noch ein gewisses Spiel auf, so dass deren Positionierung in axialer und tangentialer Richtung in einfacher Weise erfolgen und im Fertigungsergebnis eine lagegenaue und feste Fügeverbindung erzielt werden kann. Zur Herstellung der Fügeverbindung bringt man in die Hohlwelle ein mit Axial- und Radialbohrungen versehenes Fügewerkzeug (Fügesonde) ein und führt anschließend über diese Bohrungen ein mit externen Druckerzeugungsmitteln hergestelltes Wirkfluid unter hohem Druck dem zu beaufschlagenden Fügebereich von Innen- und Außenteil zu. Bei druckfester Abdichtung des Fügebereichs wird infolge des dort herrschenden hohen Druckes das zunächst noch vorhandene Spiel zwischen der Hohlwelle als dem Innenteil und beispielsweise einer Nabe als dem Außenteil aufgehoben, indem durch Aufweitung der zwischen beiden Bauteilen vorhandene Spalt überbrückt wird und sich die Welle an die Innenkontur der Nabe anlegt. Bei geeigneter Abstimmung der Streckgrenzen von Welle und Nabe erfolgt eine plastische Verformung der Welle derart, dass diese auch nach Rücknahme des Fluiddruckes nicht mehr in ihre Ausgangslage zurückfedert, sondern mit der Nabe in einer festen, zumeist kraftschlüssigen Pressverbindung verbleibt.
  • Das Innenhochdruckfügen beschreibt beispielsweise die Druckschrift DE 19802484 C2 , welche als Anwendungsbeispiel ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von gebauten Nockenwellen anführt. Der Aufbau des Innenhochdruckes erfolgt dabei gezielt im Fügebereich einer Hohlwelle und von Nocken mittels einer Fügesonde mit Druckkanälen, welche in entsprechend vorgewählter Lage positioniert sind. Damit das Aufweiten der Bauteile nur abschnittsweise und ausschließlich innerhalb dieses Fügebereiches erfolgt, sind zumeist beiderseitig des Bohraustrittes von Radialbohrungen am Sondenumfang ringförmig angeordnete Radialdichtungen vorgesehen, welche das Entstehen des Innenhochdruckes ausschließlich im Aufweitraum zwischen den axial beabstandeten Radialdichtungen zulassen. Mit dem Verfahren nach DE 19802484 C2 soll sich die mechanische Beanspruchbarkeit der Hohlwelle-Nockenverbindung und damit deren Betriebssicherheit selbst unter den unterschiedlichsten Betriebsbedingungen wesentlich verbessern lassen.
  • Ein weiteres Verfahren zum Fügen von Bauteilen wird u. a. in DE 102007036629 B3 vorgestellt, mit dem sich zur erhöhten Lastübertragungsfähigkeit Fügeverbindungen von sowohl erhöhter Drehmoment- als auch Axialkraftübertragungsfähigkeit in einfacher und kostengünstiger Weise herstellen lassen und bei dem die Teilefertigung unter den Bedingungen einer erleichterten Entwurfsberechnung sowie einer eindeutigen Vorhersagbarkeit des Bauteilverhaltens unter den jeweiligen Einsatzbedingungen erfolgen kann. Das Fügen der Bauteile wird hierbei unter der Verwendung von über den Umfang des Außenteils verteilt angeordneten Elementen vorgenommen, welche, am Außenteil direkt anliegend, eine radiale Aufweitung partiell verhindern und so eine kraft- und formschlüssige Fügeverbindung bewirken.
  • Die im Ergebnis auch als Welle-Nabe-Verbindung bekannten Verfahren zum Innenhochdruckfügen sind heute ein grundlegendes Element des Maschinenbaus und finden zur Kraft- bzw. Leistungsübertragung zwischen einem mechanischen Innen- und einem Außenteil eine millionenfache Anwendung, insbesondere aber in der Antriebstechnik.
  • Besteht bei den ständig steigenden Materialkosten im Maschinenbau im Allgemeinen eine zwingende Notwendigkeit zu Materialeinsparungen, so ist es außerdem von Vorteil, wenn der Materialeinsatz für bewegte Massen, z. B bei Nockenelementen für die Verwendung in Kraftfahrzeugen, gesenkt werden kann, weil sich dadurch auch der Kraftstoffverbrauch verringern lässt.
  • Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine Fügesonde zum hochgenauen Fügen eines hohlzylindrischen Innenteiles, wie einer Hohlwelle, mit darauf aufgeschobenem Außenteil, beispielsweise Nocken oder Nabe, nach dem IHF-Verfahren zu schaffen, mit der sich die bei bekannten und vergleichbaren technischen Lösungen die zum Pressfugen bezüglich des Außenteiles erforderliche sondenseitige Mindestüberstandslänge der Hohlwelle vermeiden lässt. Beim Einsatz konventioneller Fügesonden war es zur Erlangung eines optimalen Fügeergebnisses bisher erforderlich, die Welle über den axialen Fügebereich hinaus auf beiden Stirnseiten des zu verfügenden Außenteils auf wenigstens eine Mindestüberstandslänge überstehen zu lassen, um eine ausreichende Dichtigkeit der Fügeeinrichtung beim Innenhochdruckfügen zu gewährleisten. Die Notwendigkeit zur Einhaltung dieser Mindestlänge des Wellenüberstandes sowie der damit verbundene erhöhte Materialaufwand sollen sich mit einer geeigneten Lösung für eine Fügesonde vermeiden lassen.
  • Erfindungsgemäß löst die Aufgabe eine Fügesonde, bestehend aus einem in die Hohlwelle einschiebbaren zylinderförmigen Sondengrundkörper, welcher mit einem außerhalb der Hohlwelle verbleibenden Sondenkopf verbunden ist, mit einem axial in der Fügesonde verlaufenden und mit einem Druckmittelerzeuger in Verbindung stehenden Längskanal sowie damit verbundenen druckmittelführenden Radialkanälen zum Aufweiten der Hohlwelle innerhalb des von den Radialkanälen beaufschlagten Fügebereiches der Hohlwelle und des damit in axialer Richtung bündig abschließenden Bauelementes (Außenteil), wobei die mit der sondenseitigen Stirnfläche des Bauelements fluchtende Wellenendfläche zusammen mit der an ihr anliegenden, flanschartig ausgebildeten und eine umfänglich verlaufende Ringdichtung aufweisenden Stirnfläche des Sondenkopfes unter Anwendung einer axial gerichteten äußeren Haltekraft eine druckfest abdichtende Verbindung ergeben.
  • Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles in Verbindung mit zwei schematischen Zeichnungen näher erläutert werden.
  • In den Zeichnungen zeigen
  • die 1 beispielhaft und schematisch in Längsaxialschnitt eine in die aufzuweitende Hohlwelle eingeführte erfindungsgemäße Fügesonde ohne Überstandslänge der Welle und
  • die 2 in vereinfachter Darstellung die einzelnen Phasen des Innenhochdruckfügens von Pressverbindungen.
  • In 1 ist zum Innenhochdruckfügen über eine Hohlwelle 1 eine Nabe 2 als außenliegendes Bauelement geschoben. Dabei befindet sich die auf der Hohlwelle starr zu befestigende Nabe in einer solchen axialen Position, dass deren Stirnfläche 3 mit dem Wellende fluchtet. Zum Aufweiten der Hohlwelle und damit der Herstellung einer Fügeverbindung zwischen dieser Welle und dem Nabenelement wird in die Hohlwelle 1 eine Fügesonde 4 so weit eingeführt, dass die einen Anschlag bildende Stirnfläche 5 des flanschartig ausgebildeten Sondenkopfes 11 der Fügesonde 4 sowie die Wellenendfläche 6 zusammen mit der Stirnfläche 3 der Nabe 2 dicht aneinander liegen. Ein Wellenüberstand kann mit einer derartigen Fügegeometrie sondenseitig vermieden werden. Die Fügesonde 4 besitzt einen mit dem hier nicht dargestellten Druckmittelerzeuger verbundenen axialen Längskanal 7, mit dem wiederum Radialbohrungen 8 verbunden sind. Über die Radialbohrungen gelangt das unter hohem Druck stehende Wirkfluid in den durch eine Dichtanordnung mit Dichtungen 9 und 10 axial beidseitig begrenzten Fügebereich innerhalb der Hohlwelle (externe Druckerzeugung). Dadurch werden die Hohlwelle 1 und die in axialer Richtung bündig mit ihr abschließende Nabe 2 in dem durch die Dichtungen (9, 10) festgelegten Bereich aufgeweitet und eine Pressverbindung zwischen diesen beiden Bauelementen hergestellt. Die Dichtung 9 ist in herkömmlicher Weise ein vom Sondengrundkörper der Fügesonde (4) getragener und im Bereich innerhalb der Hohlwelle umlaufend angeordneter Dichtkörper. Die Dichtung 10 bildet ebenfalls eine Ringdichtung, welche jedoch aus einem Dichtkörper besteht, der in eine auf der hohlwellenseitigen Stirnfläche 5 des Sondenkopfes (11) angeordnete, einen Ring bildende Nut eingepresst ist. Die Ringdichtung ist dabei so positioniert, dass diese nach Einführen der Fügesonde (4) direkt an der Wellenendfläche 6 anliegt. Stützt sich also die Dichtung 9 radial an der Innenfläche der Hohlwelle abdichtend ab, so wird die Dichtung 10 während des Fügevorganges durch die auf die Fügesonde wirkende axiale Haltekraft FH gegen die Stirnfläche 6 der Hohlwelle gepresst und somit die Dichtigkeit im Fügebereich gewährleistet. Die einzusetzende Haltkraft FH ist von den Geometriegrundbedingungen der Anordnung insgesamt und den Prozessparametern beim Umformen, vor allem aber vom Fügedruck abhängig. Auch wird man die Dichtungen (9, 10) im Allgemeinen den jeweiligen Fügebedingungen anpassen.
  • Die einzelnen Phasen des Fügevorganges verdeutlicht die 2. In der Phase 1 der Positionierung der Hohlwelle 1 und Nabe 2 ist im noch ungefügten Zustand ein radialer Spalt 12 zwi schen beiden Bauteilen vorhanden, wodurch sich deren Positionierung zueinander einfacher gestaltet. Im Aufweitvorgang gemäß Phase 2 wird das durch den Spalt 12 hervorgerufene Spiel aufgehoben, weil sich dann die Hohlwelle 1 unter der Wirkung des inzwischen vorhandenen Innenhochdruckes plastisch verformt, radial aufweitet und dabei gegen die Nabe 2 als Außenteil presst. Gleichzeitig mit der Druckerhöhung werden die Dichtungen verstärkt an die Wellenend- bzw. die Innenfläche der Hohlwelle angepresst und sorgen dadurch auch bei wachsendem Hochdruck für die Dichtigkeit des Fügebereichs im Umformungsprozess. Zwischen Hohlwelle und Nabe bildet sich ein Presssitz aus. Die Phase 3 schließlich verdeutlicht den Vorgang des Zurückfederns der aus elastischem Material bestehenden Nabe bei Druckentspannung, wodurch sich die im Ergebnis des Aufweitungsprozesses entstandene kraftschlüssige Verbindung zwischen Nabe und Hohlwelle weiter stabilisiert. Weil bei diesem Fügeprozess unter Verwendung der erfindungsgemäßen Fügesonde die Hohlwelle nicht beiderseits über die zu fügende Nabe überstehen muss, also auch keine Mindestabstandslänge einzuhalten ist, lassen sich somit in vorteilhafter Weise durch den Einsatz der hier vorgestellten Sonde beim Innenhochdruckfügen sowohl Material als auch Bearbeitungszeit einsparen.

Claims (2)

  1. Fügesonde zum Befestigen von Bauelementen auf einer Hohlwelle (1) nach dem Innenhochdruckfügeverfahren, mit einem in die Hohlwelle einschiebbaren zylinderförmigen Sondengrundkörper (4) und einem einstückig damit verbundenen und außerhalb der Hohlwelle verbleibenden Sondenkopf (11) sowie mit einem axial verlaufenden und an einen Druckmittelerzeuger angeschlossenem Längskanal (7) und damit verbundenen druckmittelführenden Radialkanälen (8) zum Aufweiten der Hohlwelle innerhalb des von den Radialkanälen beaufschlagten und von Ringdichtungen (9, 10) axial beidseitig abgeschlossenen Fügebereiches der Hohlwelle (1) und des damit in axialer Richtung bündig abschließende Bauelementes (2), wobei die mit der Stirnfläche (3) des Bauelements fluchtende Wellenendfläche (6) zusammen mit der an ihr anliegenden, flanschartig ausgebildeten und eine umfänglich verlaufende Ringdichtung (10) aufweisenden Stirnfläche (5) des Sondenkopfes (11) unter Anwendung einer axial gerichteten äußeren Haltekraft FH eine druckfest abdichtende Verbindung ergeben.
  2. Fügesonde zum Befestigen von Bauelementen auf einer Hohlwelle, gekennzeichnet durch deren mehrstückigen Aufbau.
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